УДК 621.7.04
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО МЕТОДА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛИ СРЕДСТВАМИ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ CAE-СИСТЕМ
© Чеславская Агния Альбертовна, e-mail: chaa@yandex.ru; Мироненко Владимир Витальевич, e-mail: mironenko_vv@istu.edu; Колесников Алексей Владимирович, e-mail: avk@istu.edu; Максименко Никита Владимирович, e-mail: socrat39@yandex.ru Иркутский государственный технический университет. Россия, г. Иркутск Котов Вячеслав Валерьевич, канд. техн. наук, e-mail: viacheslav.kotov@esi-group.com Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина. Россия, г. Екатеринбург Статья поступила 04.12.2014 г.
Проанализирована возможность изготовления детали разными методами формообразования. Смоделировано появление дефектов и предложены методы их устранения. Сделан вывод о рациональном методе изготовления рассматриваемой детали.
Ключевые слова: пневмотермическая формовка листовых деталей; вытяжка на падающих молотах; эластоформование; вытяжка в жестких штампах.
Одной из актуальных задач в авиа- и машиностроении является поиск рационального метода формообразования листовых деталей. Решение по выбору метода формообразования принимается на основе опыта и знаний технолога, т.е. рациональность принимаемых решений зависит от человеческого фактора, что недопустимо в современном производстве. Рассмотрен виртуальный поиск рационального варианта изготовления детали с применением CAE-систем.
Для анализа методов формообразования выбрана деталь (рис. 1) сложной пространственной формы, с двойной кривизной, с двумя подсечками и бортами, направленными в одну сторону; материал детали - сплав АМг6, толщина - 0,8 мм.
Поиск рационального метода формообразования проводится в системе инженерного анализа для листовой штамповки PAM-STAMP 2G
французской фирмы ESI Group.
Рассмотрим семь вариантов формообразования детали.
1. Вытяжка на листоштамповоч-ном молоте - самый распространенный процесс изготовления листовых деталей со сложной по-
Рис. 1. Модель детали верхностью. В ходе
моделирования были приняты следующие допущения:
- не учитывается влияние скорости деформации на напряжения;
- ограничивающие подкладки моделируются свойствами модели материала Mooney-Rivlin;
- конец удара определяется ограничением хода пуансона;
- пластическая часть кривой течения задана через функцию Krupkowsky Law (а = K-(e0 + ер)я, где а -текущий уровень напряжения; K - коэффициент прочности; е0, гр - начальный и текущий уровни пластический деформации; n - коэффициент упрочнения);
- для описания поверхности текучести выбрана модель Hill 48;
- исходная толщина заготовки взята 1 мм.
Сплав АМг6 имеет следующие физико-механические и технологические свойства: модуль Юнга - 64 ГПа; коэффициент Пуассона - 0,333; плотность - 2,6-10-6 кг/мм3; коэффициенты анизотропии - r0 = 0,648, r45 = 0,566, r90 = 0,705; постоянные функции Krupkowsky Law (е0 = 0,006541, K = 0,4744, n = 0,1993) соответственно; деформационная способность материала - 25%; допустимое утонение - не более 20%.
Результаты моделирования процесса формообразования детали вытяжкой на листоштампо-вочном молоте за шесть ударов представлены в табл. 1. FLD-диаграмма (диаграмма предельного формования) показывает появление трещин, начиная с четвертого удара (табл. 2).
Таблица 1. Результат моделирования после шестого удара вытяжки, вариант 1
Распределение толщины Распределение деформаций
Шестой удар 53
£9
минимальная толщина 0,45 мм (красный цвет - утонение 55%) максимальная деформация - 159% (красный цвет)
Таблица 2. FLD-диаграмма вытяжки, вариант 1
FLD-диаграмма на заготовке
FLD-диаграмма в графическом виде
Шестой удар
РШ (в1га1п) - грт^даДОЙЬМГО"-3,
В * Мойи1е -5(а(е в/епЛ : Ргод. = 18
синие зоны - зоны образования трещин
Гофр, развивающийся за счет сжимающих тангенциальных напряжений, складывается в результате потери устойчивости. Синие зоны появляются на радиусных переходах в середине детали и в районе складки. На графике синие точки выходят далеко за пределы кривой, ограничивающей деформационные возможности материала
Рис. 2. Пружинение, возникающее в детали после вытяжки по варианту 2 (максимальное значение в красной зоне)
2. Вытяжка на листоштамповочном молоте с имитацией промежуточной термообработки. Для повышения деформационной способности материала в имеющуюся модель
добавлена имитация проведения промежуточной термообработки с помощью введения коэффициента 0,1 уменьшения напряжений и деформации после каждого удара. Результаты моделирования варианта формообразования 2 представлены в табл. 3 и 4. Предельные деформации и зоны трещин на БЬЭ-диаграмме появляются на один удар позже, чем в предыдущей модели (на пятом, а не на четвертом ударе).
С учетом промежуточной термообработки ^
о
рассчитано пружинение, возникающее в дета- ™ ли после формообразования, и оно составляет ^ 1,81 мм (рис. 2). *
3. Вытяжка детали в жестких штампах. Все ^
>
допущения и модель материала остаются теми Ц же, что и при моделировании вытяжки на ли- |
Таблица 3. Результаты моделирования вытяжки, вариант 2
Распределение толщины
Распределение деформаций
Шестой удар
минимальная толщина 0,39 мм (красный цвет - утонение 61%)
максимальная деформация 277 % (красный цвет)
Таблица 4. FLD-диаграмма вытяжки, вариант 2
FLD-диаграмма на заготовке
Шестой удар
rain) ■ zonsafiy ^'ШИГ'-4'
rSp W Module "Stale 6.>15 : Pfog. =
у
синие зоны - области образования трещин
FLD-диаграмма в графическом виде
Синие зоны появляются в районе складки, на радиусных переходах в середине детали и продолжают развиваться в краях оснастки. На графике синие точки выходят далеко за пределы кривой, ограничивающей деформационные возможности материала
стоштамповочном молоте. Исходная толщина заготовки равна толщине детали -0,8 мм.
Результаты моделирования формообразования детали вытяжкой в жестких штампах после шестого удара приведены в табл. 5 и 6.
4. Процесс формообразования эластичной средой. Все допущения и модель материала остаются теми же, что и при моделировании вытяжки на листоштамповочном молоте. Исходная толщина заготовки равна толщине детали - 0,8 мм.
При моделировании этого процесса формообразования получена развертка. К развертке добавлены припуски для размещения отверстий под шпильки для базирования заготовки на оснастке
Рис. 3. Развертка, полученная в PAM-STAMP 2G: а - деталь с приливами под шпилечные отверстия; б - физическая развертка с учетом параметров материала
(рис. 3). При моделировании процесса получения развертки детали был использован обратный решатель Inverse программного комплекса PAM-STAMP 2G.
Формообразование детали осуществляется за три перехода: на первом формуется обводная кривизна, на втором - средний элемент с двумя подсечками, на третьем - борта. На рис. 4 пока-
Таблица 5. Результаты моделирования вытяжки, вариант 3
Распределение толщины
Распределение деформаций
Ход пуансона 45 мм
минимальная толщина - 0,13 мм (красный цвет - утонение 83,75%)
максимальная деформация - 159% (красный цвет)
Таблица 6. FLD-диаграмма вытяжки, вариант 3
FLD-диаграмма на заготовке
FLD-диаграмма в графическом виде
Ход пуансона 45 мм
синие зоны - области образования трещин
На радиусных переходах в середине детали появляются синие зоны. На графике синие точки уходят далеко за кривую, ограничивающую деформационные возможности
материала
Рис. 4. Оснастка для формовки первого (а), второго (б) и третьего (б) переходов
заны рабочие поверхности оснастки для каждого перехода.
Результаты моделирования процесса представлены в табл. 7 и 8; на последнем переходе при формообразовании бортов образуются дефекты типа «складка».
5. Формовка эластичной средой с использованием складкодержателя. Для устранения дефекта, связанного с чрезмерной деформацией в районе перехода приливов со шпилечными отверстиями к заготовке, необходимо сделать его более плавным (рис. 5). Толщина заготовки 1 мм.
с
Таблица 7. Результаты моделирования формовки, вариант 4
Распределение толщины
Распределение деформаций
Третий переход
минимальная толщина 0,24 мм (красный цвет - утонение 70%)
максимальная деформация 146% (красный цвет)
Таблица 8. FLD-диаграмма для формовки, вариант 4
FLD-диаграмма на заготовке
FLD-диаграмма в графическом виде
Третий переход
синие зоны - области образования трещин
Синие зоны развиваются на радиусных переходах в середине детали и в месте резкого перехода прилива к заготовке. Красные зоны, отвечающие за складкообразование, развиваются на бортах. На графике синие точки уходят далеко за кривую, ограничивающую деформационные возможности материала
Рис. 5. Развертки с резкими (а) и плавными (б) переходами к приливам (для шпилечных отверстий)
Рис. 6. Оснастка со складкодержателем (а) и оснастка со складкодержателем в разрезе (б) Таблица 9. Результаты моделирования формовки, вариант 5
Распределение толщины
Распределение деформаций
Третий переход
гч
минимальная толщина 0,6 мм (красный цвет - утонение
максимальная деформация 66% (красный цвет)
Таблица 10. FLD-диаграмма, полученная при моделировании формовки, вариант 5
FLD-диаграмма на заготовке
FLD-диаграмма в графическом виде
Третий переход
Синие зоны развиваются на радиусных переходах в середине детали. На графике синие точки уходят далеко за пределы кривой, ограничивающей деформационные возможности материала
Для устранения складок на одном из бортов (где она особенно большая) в конструкцию оснастки добавлен складкодержатель (рис. 6). Складка второго борта устраняется наращиванием давления.
Результаты моделирования варианта 5 приведены в табл. 9 и 10.
Моделирование показало, что увеличение толщины и более плавные переходы от приливов к детали снизили утонение до 40%. В районах ра-
Таблица 11. Результаты моделирования формовки, вариант 6
Распределение толщины
Время формовки -
468 с
Л
минимальная толщина 0,44 мм (красный цвет - утонение 45%)
Распределение деформаций
максимальная деформация 61% (красный цвет)
Таблица 12. Результаты моделирования, вариант 7
Распределение толщины
Время формовки
533
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.